上海長興島典型農用地土壤重金屬特征分析與生態風險預警評估

于徐華， 陳怡龍

（1.中海環境科技（上海）股份有限公司環境影響評價部，上海200135；2.上海長興海洋裝備產業基地開發有限公司，上海201913）

0 引 言

土壤是自然環境的重要組成要素，是人類賴以生存的物質基礎，是生產生活所需的重要自然資源。隨著城市化、工業化和農業集約化的飛速發展，重金屬逐漸通過農業生產、污水灌溉和大氣沉降等途徑進入農用土壤中。由于重金屬在土壤中具有較強的富集性、持久性和不可逆性，不易被生物降解，因此一旦進入土壤環境，將在很長一段時間內影響農用地的正常使用。土壤中的重金屬能通過食物鏈或直接與人體接觸在人體內積累，引發一些慢性疾病[1]。因此，近些年土壤重金屬在土壤中的空間分布、污染評價、特征分析和污染來源等方面的研究得到廣泛關注[2-3]。上海已針對土壤重金屬開展眾多研究工作，研究的土地類型包括工業用地[4]、農田[5]、果園[6]、公園[7]、公路兩側土地[8-9]和灘涂[10-11]等，研究的區域包括浦東新區[12]、寶山[13]、松江[14]和崇明[15]等。雖然有涉及長興島土壤調查的研究[5，16]，但對長興島土壤重金屬進行的專題研究較少。

本文以長興島典型的水稻田、柑橘園和林地等農用地為研究對象，對土壤中的重金屬污染現狀、污染來源和生態風險進行研究，以期在正確理解區域土壤質量空間與時間差異性的基礎上，科學地利用和管理土壤資源。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

長興島位于吳淞口外長江南水道，東經121°34′～121°47′，北緯31°19′～31°26′；氣候屬于北亞熱帶海洋性季風氣候，四季分明，全年溫和濕潤；地勢低平，西部較高，中東部較低。長興島的土壤主要有黃夾沙、沙夾黃和黃泥等類型，近年來由于廣種柑橘，已逐漸向園林灰潮土轉化[16-17]。長興島因特殊的地理成因，已形成不同的土體構形，使局部地區內分布有多種土壤類型。

1.2 樣品采集和分析

2017年2月—2018年3月，在長興島東南部長興鄉典型的水稻田、柑橘園和林地等農用地采集土壤樣品，主要采集表層土（土壤表面至表面以下0.5 m）和原狀底層土（土壤表面以下0.5 m至地下水位）。共設52個采樣點，在每個采樣點采集2份土壤樣品，共得到104份土壤樣品。采集樣品過程中均采取嚴格的防污染措施，防止發生交叉污染；樣品采集完成之后進行冷藏運輸，送往專業的實驗室進行分析。

采集的土壤樣品通過室內風干、研磨和過篩等工序制成樣品備用。土壤中全量Cu、Zn、Pb和Cr采用電感耦合等離子發射光譜法進行分析。在分析過程中，均加入國家標準土壤樣品進行質量控制分析，結果均符合質量控制要求。

2 結果與分析

2.1 農用地土壤重金屬含量統計分析

長興島土壤重金屬含量箱線圖見圖1。土壤重金屬含量統計值見表1，其中：表層土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的濃度含量的平均值分別為28.1 mg/kg、80.6 mg/kg、18.0 mg/kg和65.0 mg/kg，標準差分別為6.5 mg/kg、12.5 mg/kg、5.1 mg/kg和14.8 mg/kg，變異系數為Pb（0.27）＞Cu（0.23）=Cr（0.23）＞Zn（0.15）；底層土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的濃度含量的平均值分別為23.2 mg/kg、73.4 mg/kg、17.0 mg/kg和59.9 mg/kg，標準差分別為7.5 mg/kg、12.3 mg/kg、5.0 mg/kg和11.8 mg/kg，變異系數為Cu（0.32）＞Pb（0.29）＞Cr（0.20）＞Zn（0.17）；表層土壤中4種重金屬的變異系數在0.15～0.27，底層土壤中4種重金屬的變異系數在0.17～0.32，說明表層土壤和底層土壤中4種重金屬的空間差異均不大，所布設采樣點的土壤重金屬含量能反映出長興島農用地土壤重金屬含量的整體水平。

圖1 長興島土壤重金屬含量箱線圖

表1 土壤重金屬含量統計值

2.2 農用地土壤重金屬污染水平

將長興島農用地土壤中的重金屬分別與國家土壤一級標準、國家土壤二級標準和食用農產品產地環境質量評價標準相比較，結果見表2，其中：表層土壤中除Pb以外，均有個別樣品的Cu、Zn和Cr含量超過國家土壤一級標準，但均低于國家土壤二級標準和食用農產品產地環境質量評價標準；底層土壤中Pb和Cr的含量均低于國家土壤一級標準，有個別樣品Cu和Zn的含量超過國家土壤一級標準，但均低于國家土壤二級標準和食用農產品產地環境質量評價標準。

表2 長興島土壤重金屬污染水平

將崇明島土壤背景值作為污染評價參考值，采用單因子污染指數法（Pi）和內梅羅綜合污染指數法（P）對土壤中4種重金屬的污染水平進行評估，計算式為

式（1）和式（2）中：Cir為土壤中重金屬濃度的實測值；Ci為污染參比值，本文采用崇明土壤背景值；P為內梅羅綜合污染指數。單因子污染指數＞1表示土壤受外界干擾，指數越大表明重金屬富集程度越高。由表2可知：土壤中4種重金屬的單因子指數均達到1，其中表層土壤中Zn的單因子指數絕大多數＞1，富集程度最高；根據表層污染指數與底層污染指數的比較，表層的單因子污染指數基本上大于底層，即表層受干擾更嚴重，重金屬富集程度更高。采用內梅羅綜合指數法評定土壤綜合污染狀況，其中，P≤1為無污染，1＜P≤2為輕污染，2＜P≤3為中度污染，P＞3為重污染，計算結果顯示表層和底層內梅羅綜合指數均為1.53，為輕污染，表明長興島農用地自開展背景調查[16]以來受到輕微的污染。

2.3 農用地土壤重金屬來源分析

利用SPSS軟件對農用地土壤中的4種重金屬進行相關性分析，通過相關性分析檢驗農用地土壤重金屬來源是否一致。若2種重金屬之間相關或顯著相關，則說明兩者來源可能一致，反之表明兩者來源不同。表3為土壤中4種重金屬相關性分析結果。由表3可知，不論是表層還是底層，4種重金屬之間兩兩呈顯著相關關系，說明這4種重金屬在來源上可能有很大的一致性。

表3 土壤中4種重金屬相關性分析結果

此次采集的樣品均來自于長興島水稻田、柑橘園和林地等典型農用地，結合長興島的發展歷程和產業類型，分析其重金屬主要來自于自然因素和農業污染，例如：施用的混雜重金屬的磷肥和含磷復合肥中含有一定量的Cu、Pb、Zn、Cr、Ca、Mn、B和As等元素；殺真菌劑會使土壤中的重金屬含量增加；飼料添加劑中往往含有一定量的重金屬，這些重金屬隨牲畜的糞便進入土壤，成為土壤的一種污染源。

綜合上述：農用地土壤中Cu、Pb、Zn和Cr等4種重金屬除Zn以外，平均含量均低于崇明背景值，Zn的平均含量與背景值含量也相差不大；4種重金屬顯著相關，長興島農用地土壤中的重金屬Cu、Pb、Zn和Cr主要來自于自然因素，人為影響較小，這與污染水平分析結論一致。

2.4 生態風險預警評估

潛在生態危害指數法[18-19]是瑞典科學家Hakanson提出的一種評價土壤和沉積物中重金屬污染程度的方法。根據該方法，某區域的土壤中第i種重金屬的潛在生態危害系數Eir和土壤中多種重金屬的潛在生態危害指數RI可分別表示為

式（3）和式（4）中：Cir為土壤中重金屬濃度的實測值；Ci為參比值；Cif為某金屬的污染系數；Tir為各種重金屬的毒性系數。由于本文僅研究Cu、Zn、Pb和Cr等4種重金屬，因此為提高結果的精度，根據所選用重金屬的種類和數目對單項潛在生態風險指數和綜合潛在生態風險指數的評估域進行調整[18]，單項潛在生態風險指數和綜合潛在生態風險指數分級標準見表4。

表4 單項潛在生態風險指數和綜合潛在生態風險指數分級標準

根據重金屬參比值和毒性系數（見表5），采用Hakanson潛在生態危害指數法對長興島土壤中的重金屬進行評價。結果表明：

1）長興島農用地表層土壤中重金屬單項潛在生態風險指數的平均值由大到小依次為Cu（2.37）＞Pb（1.84）＞Cr（0.94）＞Zn（0.70）；所有表層樣品中Zn和Cr的E值均＜5，處于輕微風險水平；Cu和Pb的部分E值在5～10，處于中等風險水平。表層RI的平均值為11.86，變化范圍為7.23～19.60，所有表層樣品潛在生態風險指數均呈輕微生態風險態勢。

表5 生態危害指數法評價結果

2）長興島農用地底層土壤中重金屬單項潛在生態風險指數的平均值由大到小依次為Cu（3.93）＞Pb（3.89）＞Cr（1.59）＞Zn（0.96）；所有表層樣品中Zn和Cr的E值均＜5，處于輕微風險水平；Cu和Pb的部分E值在5～10，處于中等風險水平。底層RI的平均值為10.38，變化范圍為5.57～16.36，所有樣品潛在生態風險指數均呈輕微生態風險態勢。

3 結 語

1）長興島農用地表層土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的平均含量分別為28.1 mg/kg、80.6 mg/kg、18.0 mg/kg和65.0 mg/kg，變異系數在0.15～0.27；底層土壤中Cu、Zn、Pb和Cr的平均含量分別為23.2 mg/kg、73.4 mg/kg、17.0 mg/kg和59.9 mg/kg，變異系數在0.17～0.32；這說明表層土壤和底層土壤中4種重金屬的空間差異均不大，所布設采樣點的重金屬含量能反映出長興島農用地土壤重金屬的整體水平。

2）長興島農用地表層土壤中除Pb以外，均有個別樣品的Cu、Zn和Cr含量超過國家土壤一級標準，但均低于國家土壤二級標準和食用農產品產地環境質量評價標準；底層土壤中Pb和Cr的含量均低于國家土壤一級標準，有個別樣品Cu和Zn的含量超過國家土壤一級標準，但均低于國家土壤二級標準和食用農產品產地環境質量評價標準。

3）根據單因子污染指數計算結果，表層土壤相比底層土壤受干擾更嚴重，重金屬富集程度更高。表層和底層內梅羅綜合指數均＞1，表明長興島農用地自開展背景調查以來受到輕微的污染，即長興島農用地土壤中的重金屬主要來自于自然因素。

4）以背景值為參比值，采用Hakanson潛在生態危害指數法對長興島土壤中的重金屬進行生態風險預警評估，土壤表層和底層均呈現輕微的生態風險態勢，這與污染指數法結論一致，表明重金屬在長興島農用地中有輕度富集的現象。